CN107383792A - 一种碳粉掺杂磁性导电材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种碳粉掺杂磁性导电材料的制备方法，本发明通过多个反应同时进行的方式，不仅实现了工业生产的连续化，降低了生产成本，同时，通过将有机物、无机物在生产过程中一边形成一边结合的方式，极大的改善了有机物、无机物间的相容性，提高了成品的稳定性，本发明的材料通过这样的方式还保证了材料各部分电磁性能的均匀性，特别适合作为导电吸附磁性材料，能够实现碳粉、磁、电的综合性吸附，吸附效果强，选择吸附的物质多，综合性能好。

Description

一种碳粉掺杂磁性导电材料的制备方法
技术领域
本发明属于材料领域，具体涉及一种碳粉掺杂磁性导电材料的制备方法。
背景技术
导电高分子是一类含有共轭结构的高分子，通过化学、电化学或离子等方式掺杂可以使聚合物的电导率水平从绝缘级别达到金属级别，在电容器、能源、金属防腐和生物传感器方面具有良好的应用前景；
聚噻吩因其良好的光学、电学和环境稳定性，受到科研工作者的重视。其与无机纳米材料复合形成有机无机纳米复合材料，不仅由于无机物的引入改善其原有性能，而且因纳米效应及聚噻吩与无机物之间的协同作用，使得复合材料的性能优于单一组分性能的简单加和；
聚噻吩及其衍生物具有热稳定性好、易于制备、掺杂后电导率高以及易脱掺杂的特性，因此广泛应用于电导体、光电材料、电磁屏蔽材料、微波吸收材料等诸多领域。但是未取代的噻吩的不溶解和不易加工的性能在一定程度上限制了其应用；
未取代的噻吩与无机材料的复合少有报道，都是些在有机溶剂（氯仿）中或噻吩直接和蒙脱土在噻吩沸点进行复合；未取代的聚噻吩因其在水中溶解性不好，通常在氯仿等有机溶剂中或者通过电化学聚合。噻吩在氯仿溶剂中聚合时，最后往往需要把氯仿蒸发掉，或者通过其他途径处理掉，这增加了反应的时间和成本，不利于工业化；而通过电化学聚合时，需要寻求合适的溶剂（且量较大），而且可变因素太多，得到聚噻吩质量难以保证，工业化也受到限制；
无机填料与聚噻吩的相容性较差，成品的稳定性低，因此本发明的目的就是在改进聚噻吩与无机填料稳定相容的基础上，赋予复合材料新的功能，以增强其在不同领域的适用性。
发明内容
本发明的目的就是在改进聚噻吩与无机填料稳定相容的基础上，赋予复合材料新的功能，以增强其在不同领域的适用性，提供一种碳粉掺杂磁性导电材料的制备方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种碳粉掺杂磁性导电材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）取0.6-1重量份的环氧氯丙烷，加入到其重量10-15倍的无水乙醇中，搅拌均匀，加入30-40重量份的噻吩，在50-60℃下保温搅拌20-30分钟，得噻吩醇液；
（2）取0.5-0.7重量份的引发剂，加入到其重量30-40倍的无水乙醇中，搅拌溶解；
（3）取1-2重量份的γ-(2,3-环氧丙氧) 丙基三甲氧基硅烷，加入到其重量30-39倍的丙酮中，搅拌均匀，加入27-30重量份的碳粉，升高温度为35-40℃，磁力搅拌10-20分钟，蒸馏除去丙酮，得环氧硅烷改性碳粉；
（4）取上述环氧硅烷改性碳粉，与20-25重量份的甲基丙烯酸缩水甘油酯混合，在90-100℃下保温预热17-20分钟，送入到反应釜中，通入氮气，调节反应釜温度为70-75℃，滴加上述引发剂的乙醇溶液，滴加完毕后搅拌反应10-14小时，出料冷却，得碳粉掺杂聚合物溶液；
（5）取上述噻吩醇液、碳粉掺杂聚合物溶液混合，搅拌均匀，超声10-20分钟，得聚合物噻吩醇溶液；
（6）取35-40重量份的六水三氯化铁、1-2重量份的丙烯酰胺混合，加入到混合料重量30-40倍的去离子水中，搅拌均匀，得酰胺铁盐溶液；
（7）取上述聚合物噻吩醇溶液、酰胺铁盐溶液混合，搅拌均匀，送入到反应釜中，通入氮气，滴加70-80重量份的氨水溶液，滴加完毕后调节反应釜温度为10-20℃，搅拌反应10-15小时，控制真空度为0.08-0.1MPa，调节反应釜温度为160-170℃，保温反应6-7小时，出料，过滤，将沉淀用去离子水与无水乙醇洗涤，真空60-65℃下干燥，即得所述碳粉掺杂磁性导电材料。
所述的氨水溶液的浓度为10-12%。
所述的引发剂为偶氮二异丁氰。
本发明的优点：
本发明首先将碳粉经过环氧化硅烷处理，然后与单体甲基丙烯酸缩水甘油酯共混，在引发剂作用下聚合，得碳粉掺杂聚合物溶液，将其与通过环氧氯丙烷处理的醇溶液处理后的噻吩混合，以六水三氯化铁为氧化剂进行聚合，在聚合的过程中加入氨水，使得部分六水三氯化铁沉淀，然后在高温下进行水热反应，在水热反应的同时，丙烯酰胺能够打开溶液中的环氧基团，从而改善无机物与聚合物间的相容性；
本发明首先将碳粉经过环氧化硅烷处理的目的就是改善其与单体甲基丙烯酸缩水甘油酯的相容性，从而进一步提高碳粉在聚甲基丙烯酸缩水甘油酯间的相容性，降低团聚；将噻吩经过环氧氯丙烷处理也是改善其与碳粉掺杂聚甲基丙烯酸缩水甘油酯的相容性，同时将噻吩赋予环氧基团，在噻吩进行聚合反应的过程中，六水三氯化铁不仅作为聚合反应的氧化剂，还参与到与氨水形成沉淀的过程中，通过这样的方式，一边生成聚合物，一边生成沉淀，沉淀与聚合物是逐渐混合相容，极大的改善了相容性，从而提高了成品的稳定性强度；
本发明在聚噻吩反应结束后温度为160-170℃，对铁盐沉淀进行水热处理，得到磁性的四氧化三铁，在水热反应的同时丙烯酰胺与环氧基团在高温下进行开环反应，能够改善无机填料与聚合物间的结合性，四氧化三铁磁性原料也是逐渐生成的，在生成的过程会向聚合物靠近结合，避免了无机填料的团聚，从而提高了成品的稳定性强度；
本发明改变了传统以氯仿为溶剂进行噻吩的聚合反应，而采用水为溶剂，不仅免去了后续的处理有机溶剂的繁琐步骤，同时节约了时间，降低了生产成本，同时以去离子水为反应溶剂，安全环保性好，有利于工业化生产；
本发明通过多个反应同时进行的方式，不仅实现了工业生产的连续化，降低了生产成本，同时，通过将有机物、无机物在生产过程中一边形成一边结合的方式，极大的改善了有机物、无机物间的相容性，提高了成品的稳定性；
本发明的材料各部分电磁性能均匀性好，能够实现多孔硅藻土、磁、电的综合性吸附，吸附效果强，选择吸附的物质多，综合性能好，可以适用于染料等有机污染物去除，在环境治理领域有广阔的应用前景，且本发明的材料磁性好，通磁后可以很方便的分离，综合性能优越。
具体实施方式
实施例1
一种碳粉掺杂磁性导电材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）取1重量份的环氧氯丙烷，加入到其重量15倍的无水乙醇中，搅拌均匀，加入40重量份的噻吩，在60℃下保温搅拌30分钟，得噻吩醇液；
（2）取0.7重量份的引发剂，加入到其重量40倍的无水乙醇中，搅拌溶解；
（3）取2重量份的γ-(2,3-环氧丙氧) 丙基三甲氧基硅烷，加入到其重量39倍的丙酮中，搅拌均匀，加入30重量份的碳粉，升高温度为40℃，磁力搅拌20分钟，蒸馏除去丙酮，得环氧硅烷改性碳粉；
（4）取上述环氧硅烷改性碳粉，与25重量份的甲基丙烯酸缩水甘油酯混合，在100℃下保温预热20分钟，送入到反应釜中，通入氮气，调节反应釜温度为75℃，滴加上述引发剂的乙醇溶液，滴加完毕后搅拌反应14小时，出料冷却，得碳粉掺杂聚合物溶液；
（5）取上述噻吩醇液、碳粉掺杂聚合物溶液混合，搅拌均匀，超声20分钟，得聚合物噻吩醇溶液；
（6）取40重量份的六水三氯化铁、2重量份的丙烯酰胺混合，加入到混合料重量40倍的去离子水中，搅拌均匀，得酰胺铁盐溶液；
（7）取上述聚合物噻吩醇溶液、酰胺铁盐溶液混合，搅拌均匀，送入到反应釜中，通入氮气，滴加80重量份的氨水溶液，滴加完毕后调节反应釜温度为20℃，搅拌反应15小时，控制真空度为0.1MPa，调节反应釜温度为170℃，保温反应7小时，出料，过滤，将沉淀用去离子水与无水乙醇洗涤，真空65℃下干燥，即得所述碳粉掺杂磁性导电材料。
所述的氨水溶液的浓度为12%。
所述的引发剂为偶氮二异丁氰。
实施例2
一种碳粉掺杂磁性导电材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）取0.6重量份的环氧氯丙烷，加入到其重量10倍的无水乙醇中，搅拌均匀，加入30重量份的噻吩，在50-60℃下保温搅拌20分钟，得噻吩醇液；
（2）取0.5重量份的引发剂，加入到其重量30倍的无水乙醇中，搅拌溶解；
（3）取1重量份的γ-(2,3-环氧丙氧) 丙基三甲氧基硅烷，加入到其重量30倍的丙酮中，搅拌均匀，加入27重量份的碳粉，升高温度为35℃，磁力搅拌10分钟，蒸馏除去丙酮，得环氧硅烷改性碳粉；
（4）取上述环氧硅烷改性碳粉，与20重量份的甲基丙烯酸缩水甘油酯混合，在90℃下保温预热17分钟，送入到反应釜中，通入氮气，调节反应釜温度为70℃，滴加上述引发剂的乙醇溶液，滴加完毕后搅拌反应10小时，出料冷却，得碳粉掺杂聚合物溶液；
（5）取上述噻吩醇液、碳粉掺杂聚合物溶液混合，搅拌均匀，超声10分钟，得聚合物噻吩醇溶液；
（6）取35重量份的六水三氯化铁、1重量份的丙烯酰胺混合，加入到混合料重量30-倍的去离子水中，搅拌均匀，得酰胺铁盐溶液；
（7）取上述聚合物噻吩醇溶液、酰胺铁盐溶液混合，搅拌均匀，送入到反应釜中，通入氮气，滴加70重量份的氨水溶液，滴加完毕后调节反应釜温度为10℃，搅拌反应10小时，控制真空度为0.08MPa，调节反应釜温度为160℃，保温反应6小时，出料，过滤，将沉淀用去离子水与无水乙醇洗涤，真空60℃下干燥，即得所述碳粉掺杂磁性导电材料。
所述的氨水溶液的浓度为10%。
所述的引发剂为偶氮二异丁氰。
性能测试：
导电性：
根据文献（聚噻吩制备条件对其结构和导电性能的影响）显示：王红敏等通过化学氧化法制备了聚噻吩并对其电导率进行了测试，在反应温度分别为0℃、18℃、55℃时所制备聚噻吩的电导率分别为15.8×10-8S/cm、5.28×10-8S/cm、1.02×10-8S/cm；
本发明的碳粉掺杂磁性导电材料的电导率为1.74-2.15×10-2S/cm；
磁性：
本发明的磁饱和值为37.0-40.1emu/g；
吸附性：
取本发明的碳粉掺杂磁性导电材料、传统碳粉吸附剂0.5g分别置于200ml浓度为150mg/l的亚甲基蓝溶液中，震荡处理30分钟，分别采用磁场分离和过滤分离的方式取出本发明的碳粉掺杂磁性导电材料、传统碳粉吸附剂，经测定，经过本发明碳粉掺杂磁性导电材料处理的亚甲基蓝溶液的浓度变为21mg/l，经过传统碳粉吸附剂处理的亚甲基蓝溶液的浓度变为47mg/l。

Claims (3)

1.一种碳粉掺杂磁性导电材料的制备方法，其特征在于，它包括以下步骤：
（1）取0.6-1重量份的环氧氯丙烷，加入到其重量10-15倍的无水乙醇中，搅拌均匀，加入30-40重量份的噻吩，在50-60℃下保温搅拌20-30分钟，得噻吩醇液；
（2）取0.5-0.7重量份的引发剂，加入到其重量30-40倍的无水乙醇中，搅拌溶解；
（3）取1-2重量份的γ-(2,3-环氧丙氧) 丙基三甲氧基硅烷，加入到其重量30-39倍的丙酮中，搅拌均匀，加入27-30重量份的碳粉，升高温度为35-40℃，磁力搅拌10-20分钟，蒸馏除去丙酮，得环氧硅烷改性碳粉；
（4）取上述环氧硅烷改性碳粉，与20-25重量份的甲基丙烯酸缩水甘油酯混合，在90-100℃下保温预热17-20分钟，送入到反应釜中，通入氮气，调节反应釜温度为70-75℃，滴加上述引发剂的乙醇溶液，滴加完毕后搅拌反应10-14小时，出料冷却，得碳粉掺杂聚合物溶液；
（5）取上述噻吩醇液、碳粉掺杂聚合物溶液混合，搅拌均匀，超声10-20分钟，得聚合物噻吩醇溶液；
（6）取35-40重量份的六水三氯化铁、1-2重量份的丙烯酰胺混合，加入到混合料重量30-40倍的去离子水中，搅拌均匀，得酰胺铁盐溶液；
（7）取上述聚合物噻吩醇溶液、酰胺铁盐溶液混合，搅拌均匀，送入到反应釜中，通入氮气，滴加70-80重量份的氨水溶液，滴加完毕后调节反应釜温度为10-20℃，搅拌反应10-15小时，控制真空度为0.08-0.1MPa，调节反应釜温度为160-170℃，保温反应6-7小时，出料，过滤，将沉淀用去离子水与无水乙醇洗涤，真空60-65℃下干燥，即得所述碳粉掺杂磁性导电材料。
2.根据权利要求1所述的一种碳粉掺杂磁性导电材料的制备方法，其特征在于，所述的氨水溶液的浓度为10-12%。
3.根据权利要求1所述的一种碳粉掺杂磁性导电材料的制备方法，其特征在于，所述的引发剂为偶氮二异丁氰。
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